Phononen, Quasiteilchen, die mit Geräuschen oder Gitterschwingungen verbunden sind, können Impuls und Drehimpuls übertragen. Es wird jedoch allgemein angenommen, dass diese Quasiteilchen vernachlässigbare magnetische Momente besitzen.
Forscher der Universität Nanjing und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften führten kürzlich ein Experiment durch, bei dem sie die magnetischen Phononenmomente von Fe2Mo3O8, einem polaren Antiferromagneten, untersuchten. Ihr Studium, vorgestellt In Naturphysikentdeckte magnetische Momente von Riesenphononen, die durch Spinfluktuationen in Fe2Mo3O8 verstärkt werden.
„Die jüngsten Entdeckungen großer magnetischer Phononenmomente (PMM) in nichtmagnetischen topologischen Systemen haben uns dazu inspiriert, über die magnetischen Eigenschaften von Phononen in einem spingeordneten System nachzudenken“, sagte Qi Zhang, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys .org.
„Auf den ersten Blick sollten die verschiedenen Arten der Spin-Gitter-Wechselwirkung große PMM in magnetischen Materialien unterstützen, allerdings wurde dies vor dieser Arbeit noch nicht identifiziert. Die Rolle von Vielteilchenkorrelationen und Fluktuationen bei der Bildung von PMM war unklar.“ “
Das Hauptziel der jüngsten Arbeit von Zhang und seinen Kollegen bestand darin, das Zusammenspiel zwischen Phononen und Magnetismus besser zu verstehen. Dazu führten sie eine Reihe von Experimenten mit dem Antiferromagneten Fe2Mo3O8 durch.
„Die großen magnetischen Momente von Phononen stellen eine direkte Verbindung zwischen der Gitterschwingung und allen Arten magnetischer Prozesse her, was neue Möglichkeiten für die phononische Kontrolle der magnetischen Dynamik sowie neuartige Spininformationsgeräte auf Basis von PMM ermöglicht“, erklärte Zhang. „Bei der Wahl des Materialsystems konzentrieren wir uns auf das Typ-Ⅰ-Multiferroikum Fe2Mo3O8, das einen bemerkenswert großen thermischen Hall-Koeffizienten aufweist, was auf eine starke Spin-Gitter-Kopplung hinweist.“
In ihren Experimenten verwendeten Zhang und ihre Kollegen zwei Schlüsseltechniken, nämlich Magneto-Raman-Spektroskopie und inelastische Neutronenstreuung. Diese Techniken ermöglichten es ihnen, die phononische Natur eines Paares tief liegender Anregungen bei 42 cm-1 (5,3 meV) in Fe2Mo3O8-Einkristallen aufzudecken.
„Wir haben dann die Phononenmagnetmomente (PMM) dieser Moden über den Phononen-Zeeman-Effekt erhalten, und zwar durch Messung der Steigung der Phononenfrequenzverschiebung in der polarisationsaufgelösten Raman-Spektroskopie unter Magnetfeldern“, sagte Zhang. „Eine ungewöhnliche PMM-Verstärkung wurde nahe der Grenze zwischen der antiferromagnetischen und der paramagnetischen Phase gefunden.“
Diese aktuelle experimentelle Studie war eine gemeinsame Forschungsarbeit des Teams von Prof. Yuan Wan an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und des Labors von Prof. Jinsheng Wen an der Universität Nanjing. Die Gruppe von Prof. Wan führte eine Symmetrieanalyse durch, um ein Minimalmodell zu entwerfen, das die dem Experiment zugrunde liegende wesentliche Physik erfasst, während Prof. Wen die Probe synthetisierte und die Neutronenmessungen sammelte.
„Das auffälligste Ergebnis dieser Arbeit ist die 600-prozentige Verstärkung der ferrimagnetischen Fluktuation von PMM in der Nähe des magnetischen Übergangs“, sagte Zhang. „Im Prinzip könnte eine solche Fluktuationsverstärkung ein PMM liefern, das das magnetische Moment eines Elektrons oder eines Magnonmodus (2 Bohr-Magneton) übertrifft und sogar mit der magnetischen Suszeptibilität divergiert.“
Letztendlich stellten die Forscher in ihrer Probe eine sechsfache Verstärkung des magnetischen Phononenmoments fest. Ihre Arbeit und das theoretische mikroskopische Modell, das ihre Beobachtungen zusammenfasst, könnten in Zukunft den Weg für neue interessante Entdeckungen über das Zusammenspiel von Magnetismus und Phononen ebnen.
„Einerseits planen wir nun, diese Arbeit auf den Nichtgleichgewichtsbereich auszudehnen, zum Beispiel sind wir an der durch chirale Phononen angetriebenen magnetischen Dynamik oder sogar dem transienten Ferromagnetismus interessiert“, fügte Zhang hinzu. „Andererseits wollen wir für ein Phonon mit einem großen magnetischen Moment untersuchen, wie es sich in einem thermischen Transportprozess verhält und ob in diesem System eine phononische Version des Spin-Hall-Effekts auftreten kann.“
Mehr Informationen:
Fangliang Wu et al., Fluktuationsverstärkte magnetische Momente von Phononen in einem polaren Antiferromagneten, Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02210-4.
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